1、第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 1 1.1 电机学的基本电磁定律 1.2 电机的磁路及其基本定律 1.3 电机的制造材料 A 2 A 1 l 1 l 2 H N i第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 2 1.1.1 1.1.1 磁场的基本概念 磁场的基本概念 1.1 1.1 电机学的基本电磁定律 电机学的基本电磁定律 1. 1. 磁感应强度和磁力线 磁感应强度和磁力线 磁场可以由电流产生。 产生磁场的电流 励磁电流。 磁感应强度B 描述磁介质中实际的磁场强弱和方向的物理量 。单位：特斯拉T 或Wb/m 2 。 磁场中各点的磁感应强度可以用磁力线的疏密
2、程度来表示。第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 3 B I I 磁力线的分布和方向： 磁力线的特性： 磁力线的回转方向和电流方向之间的关系遵 守右手螺旋法则。 磁力线总是闭合的，既无起点，也无终点。 磁场中的磁力线不会相交。 I I I B第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 4 2. 2. 磁通量和磁通连续性定律 磁通量和磁通连续性定律 磁通 磁场中穿过某一截面 A的磁感应强度B 的量。单位：Wb = AB dA 在均匀磁场中： B A = BA 通过任意封闭曲面的磁通量总和必等于零，即 d= 0 BA 第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础
3、知识 5 3. 3. 磁场强度和磁导率 磁场强度和磁导率 磁场强度H 表征磁场强弱和方向的物理量。单位： A/m 磁导率 表征磁场中介质的导磁能力的物理量。单位： H/m 线性介质 为常数，非线性介质 不是常数。 真空的磁导率为常数： m H 7 0 10 4 铁磁材料磁导率不是常数第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 6 H与B 的关系与区别 H 代表电流本身产生的磁场的强弱，反应了电流的励磁能力，与介质的性质无关， H I 。 B 代表电流产生的以及介质被磁化后产生的总磁场的强弱，其大小不仅与电流的大小有关，还与介质的性质有关。 B H 第 第 1 1 章 章 电机学基础
4、知识 电机学基础知识 7 4. 4. 磁场储能 磁场储能 磁场能够储存能量。 电机通过磁场储能实现机电能量的转换。 磁场中的能量密度为 对于线性介质： 磁场中的总储能为 磁场能量主要集中储存在气隙中。 w m = BH 1 2 w m = BH = 1 2 B 2 2 W m = w m dV V第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 8 1.1.2 1.1.2 电磁感应定律 电磁感应定律 1. 1. 运动电势 运动电势 长度为l 的直导体与磁场有相对运动时，导体中会产生感应电势 v eB l v 需互相垂直 e v 感应电势正方向： 右手定则第 第 1 1 章 章 电机学基础
5、知识 电机学基础知识 9 2. 变压器电势 匝数为N 的线圈环链着磁通，当 发生变化时，线圈两端产生感应电势。 u i e 规定正方向 A X v dd eN dt dt 磁链： = N 按右手螺旋关系确定e 与 的方向 感应电势正方向： 楞次定律第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 10 1.1.3 1.1.3 电磁力定律和电磁转矩 电磁力定律和电磁转矩 1. 1. 电磁力 电磁力 通电流的导体，在磁场中要受到力的作用，这个力叫电磁力。 i f f =B l i (N) 需互相垂直 电磁力方向： 左手定则第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 11 2. 2
6、. 电磁转矩 电磁转矩 O i r f f T em= 2fr T em= 2Bl ir (N.m)第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 12 1.1.4 1.1.4 基尔霍夫电路定律 基尔霍夫电路定律 1. 1. 基尔霍夫电流定律 基尔霍夫电流定律 KCL KCL 对于电路中的任一节点，在任意时刻，流出该节点的电流和等于流入该节点的电流和。 it it 流出 流入 = 2. 2. 基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电压定律 KVL KVL 对于某一电路，在任意时刻，沿任一回路，各支路电压的代数和恒等于零。 0 ut 第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 13 1.
7、1.5 1.1.5 安培环路定律 安培环路定律（全电流定律） 在磁场中，磁场强度H沿任意闭合回路 l 的线积分，等于该闭合回路所包围的所有电流的代数和。i 1i 3i 2l H dl l Hdl i 1. 对于通电螺线管，磁场是均匀的，磁场强度H处处相等，总电流由通有电流的匝线圈提供：Hl Ni 第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 14 2.工程中用到几何形状复杂的磁路，可以将磁路分成几段，分别应用安培环路定律，再求电流的总和。 Fe Fe Ni H l H 1 n kk Hli 3.对于带气隙的铁心磁路，磁场是不均匀的第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识
8、 15 1.2 1.2 电机的磁路及其基本定律 电机的磁路及其基本定律 1.2.1 1.2.1 电机的磁路 电机的磁路 励磁绕组 u 1 i 1 主磁通 磁路 1 漏磁通 i 2 2 变压器磁路 u 2 S N S N 直流电机磁路第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 16 1. 1. 安培环路定律 安培环路定律i 1 i 2 i 3 l dl 无分支磁路 1.2.2 1.2.2 磁路定律 磁路定律 H dl = i l 如图： i = i 1 i 2 i 3 2. 2. 磁路的欧姆定律 磁路的欧姆定律 N i lA H dl = Hl l = Ni B= A H= B A
9、= = Ni l/ A F R m = 第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 17 F R m = 磁动势： 磁动势： F = Ni 作用在磁路上的安匝数 。 磁阻： 磁阻： R m = (A/Wb) l A 磁路欧姆定律只能用于定性分析磁路 因为 不是常数，故 R m 非线性。 串联磁路的总磁阻为 k=1 n R m = R mk第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 18 任一闭合面： = 0， 2 = 1 3 4. 4. 磁路的基尔霍夫第二定律 磁路的基尔霍夫第二定律 F 1 =H dl l i = H kl k Ni = H 1 l 1 H 2 l 2
10、 = R m1 1 R m2 2 或 Ni = H 1 l 1 H 3 l 3 = R m1 1 R m3 3 3. 3. 磁路的基尔霍夫第一定律 磁路的基尔霍夫第一定律 闭合面 i 1 l 1 A 1 1 1 l 3 A 3 3 3 l 2 A 2 2 2 N第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 19 第 k段磁路的磁压降为 B k k H kl k= l k= l k k kA k R mk= (A/Wb) l k kA k 第 k段磁路的磁阻为 沿任何闭合磁路磁动势的代数和等于磁压降 的代数和。 F= H kl k= R mk k第 第 1 1 章 章 电机学基础知识
11、电机学基础知识 20 电路磁路 电流 I/A 磁通 /Wb 电流密度 J/(A/m 2 ) 磁通密度 B/(Wb/m 2 ) 电动势 E/ V 磁动势 F/A 电阻 R/ 磁阻 R m /(A/Wb) 电路欧姆定律磁路欧姆定律 磁路和电路的比较 R= l A R m = l A I= E R = F R m第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 21 1. 电路中有电流i时，就有功率损耗i 2 R；而在直流磁路中维持一定的磁通量 时，铁心中没有功率损耗。 2. 在电路中可以认为电流全部在导线中流通，导线外没有电流；在磁路中，则没有绝对的磁绝缘体，除了铁心中的磁通外，实际上总有一
12、部分漏磁通散布在周围空气中。 3. 电路中导体的电阻率在一定温度下是不变的，但是磁路中铁心的磁导率却不是一个常值，而是磁通密度的函数。 4. 对线性电路，计算时可以应用叠加原理，但对于铁心磁路，饱和时磁路为非线性，计算时不能应用叠加原理。 所以磁路与电路仅是一种数学形式上的类似，而不是物理本质的相似。第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 22 磁路中气隙的影响 当F 一定时， 气隙 的存在使 大幅减小。 若要保持 一定，则需增大磁动势 F 。 边缘效应 增大了气隙的有效面积。 气隙 铁心 铁心 边缘磁通 边缘磁通第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 23 1
13、.3.1 1.3.1 概述 概述 制造材料主要包括： 导磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、 散热材料、冷却材料、润滑材料等。 导电材料：铜、铝。 导磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。 绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、 有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料 绝缘等级 绝缘等级Y A E B F H C Y A E B F H C 容许工作温度/ 90 105 120 130 155 180 180 1.3 1.3 电机的制造材料 电机的制造材料第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 24 材料（介质）按磁导率分类： 非铁磁（非磁性）材料、铁磁（磁性）材料。 非铁磁材料（如
14、空气、铜、铝和绝缘材料等）： 0 = 4 10 7 H / m 顺磁材料（如空气）： 略大于 0 。 反磁材料（如铜）： 略小于 0 。 1. 1. 高导磁性 高导磁性 铸钢： 1 000 0 硅钢片： ( 6 000 7 000) 0 玻莫合金： 比 0 大几万倍。 0 1.3.2 1.3.2 铁磁材料的重要性质 铁磁材料的重要性质第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 25 在一个空间（外）磁场中，放入铁磁材料，该磁场会被大大加强。 i i B 1 i i B 2 B 1 B 2第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 26 铁磁材料高导磁性的微观机理 磁畴（
15、磁化前） 磁畴（磁化后） 铁磁材料被磁化 铁磁材料在外磁场中呈现很强的磁性的现象。 因其内部存在着很多很小的“磁畴” 。 由此产生的附加磁场比同一 H 在非铁磁材料中 所激励的磁场要强得多。第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 27 起始磁化曲线 B H O 2. 2. 磁饱和性 磁饱和性 B= H （ 常数） a b c d B = 0 H 3. 3. 磁滞性 磁滞性 B H O H m B m 剩磁 H m 矫顽磁力 B r H c B m H c B r 磁滞回线 膝点 B H O 基本磁化曲线第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 28 蜂腰形 狭长型
16、 肥胖型 长方形 退化型 不对称型 几种不同类型的磁滞回线第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 29 硬磁材料 B H曲线宽，B r 大、H c 大。 用于制造永磁铁。 软磁材料 B H曲线窄， B r 小、H c 小。 用于制造变压器、电机等电器的铁心。 矩磁材料 B H曲线形状接近矩形， B r 大、H c 小。 用于计算机中，作记忆单元。 按磁滞回线的不同，铁磁材料可分为第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 30 4. 4. 铁心损耗 铁心损耗 (1) 磁滞损耗 P h (2) 涡流损耗 P e 铜损耗使线圈发热， 铁损耗使铁心发热。 减小铁损耗的方法
17、： 使用软磁材料减小P h 。 增大铁心的电阻率， 减小涡流及其损耗 。 用很薄的硅钢片叠成铁心， 减小涡流及其损耗 。 涡流损耗 (a) (b) 0.35mm 0.30mm 0.27mm 0.22mm第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 31 常见材料的基本磁化曲线第 第 1 1 章 章 电机学基础知识 电机学基础知识 32 第1章作业 补充1. 求下述两种情况下铸钢中的磁场强度和磁导率 （1 ）B=0.5T；（2 ）B=1.3T， 并比较饱和与不饱和两种情况下谁的磁导率大。 补充2. 已知硅钢（含硅4%）的H=4A/cm ，铸铁的H=9A/cm ，求它们的B和 ，并比较谁的导磁能力强。 第 第 1 1 章 章结 结束 束
